岩石高边坡开挖爆破动力损伤的数值仿真

 实现高边坡爆破开挖损伤区的数值仿真对研究保留岩体的损伤控制有重要意义。基于采用经典爆破损伤模型表达拉伸损伤的方法,引入对压缩损伤的考虑,同时,修正岩体宏观弹性参数的确定方法,建立自定义拉压损伤定量计算模型,详细推导其建立的数学过程,并采用LS-DYNA用户自定义接口将其成功导入LS-DYNA。采用该模型对溪洛渡高边坡640 m高程马道下边坡保留岩体的爆破开挖损伤效应进行数值仿真,通过岩体声波测试得到的实测损伤区,验证模型的有效性。选取目前应用较为广泛的爆破损伤模型进行对比计算,计算结果表明：拉压损伤模型的计算值与损伤区实测结果有较好的一致性,且与常用的爆破损伤模型相比,拉压损伤模型的精确性略有提高。     

基于SPH粒子法的盲天井掏槽爆破数值模拟

针对上向盲天井掏槽孔爆破效果,运用补偿系数法对周边大空孔孔间距进行计算并进行方案制定,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH粒子法)进行数值模拟计算,开展盲天井掏槽爆破周边空孔作用以及补偿系数对爆腔及岩石损伤范围影响研究。研究结果表明:在孔间距一定时,爆腔面积随补偿系数增大呈增加趋势;当补偿系数达到2.42时爆破效果最佳且达到峰值0.54 m²,而后爆破效果作用达到极限,爆腔面积变化趋于稳定;岩石损伤范围因炸药作用效果有限,总体变化范围在10%以内;模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态、空孔填充情况以及岩石损伤范围。所得模拟结果与现场试验爆腔断面面积吻合度高,说明数值模拟计算具有一定的准确性。     

不同开挖方式下岩石高边坡损伤演化过程比较

 不同岩石高边坡开挖方式对保留岩体的损伤范围有重要影响。基于LS-DYNA二次开发的累积损伤仿真技术,对光面爆破和预裂爆破2种不同爆破方式下的开挖损伤全过程进行数值仿真。计算结果表明,光面爆破开挖方式下爆破损伤具有明显的累积特征,其中,主爆孔产生的累积损伤最严重,光面爆破次之,缓冲爆破最小。预裂开挖方案中,保留岩体几乎仅受到预裂孔的损伤作用,但预裂孔本身的损伤大于光爆孔。对比2种开挖方式下最终保留岩体的损伤分布特征：光面爆破开挖方式下,保留岩体中沿轮廓面分布较小范围的高程度损伤区以及中下部分布较大范围中等程度损伤区;预裂开挖方式下,保留岩体仅存在范围相对较大的沿轮廓面分布的高程度损伤区。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

爆生自由面对边坡微差爆破诱发振动峰值的影响

 深入研究爆生自由面对边坡微差爆破诱发振动峰值的影响,对爆破方案优化和安全控制具有重要指导意义。通过白鹤滩水电站边坡多段微差爆破试验,对同排第一段和后续段的爆破诱发振动进行对比分析,并采用SPH-FEM耦合方法,对同排不同段爆破的岩体破碎过程和诱发振动进行模拟。研究表明,在岩体条件和单段药量相同的前提下,爆生自由面对爆破诱发振动峰值有显著影响,多段微差爆破中同一排第一段爆破所诱发的振动幅值比后续段爆破的更大。在多段微差爆破设计过程中需要考虑爆生自由面的影响,从控制爆破振动的角度,同一排的不同段的控制药量并不相等,应适当减小同一排第一段爆破的段装药量。     

爆生自由面对边坡微差爆破诱发振动峰值的影响EI北大核心CSCD

深入研究爆生自由面对边坡微差爆破诱发振动峰值的影响,对爆破方案优化和安全控制具有重要指导意义。通过白鹤滩水电站边坡多段微差爆破试验,对同排第一段和后续段的爆破诱发振动进行对比分析,并采用SPH-FEM耦合方法,对同排不同段爆破的岩体破碎过程和诱发振动进行模拟。研究表明,在岩体条件和单段药量相同的前提下,爆生自由面对爆破诱发振动峰值有显著影响,多段微差爆破中同一排第一段爆破所诱发的振动幅值比后续段爆破的更大。在多段微差爆破设计过程中需要考虑爆生自由面的影响,从控制爆破振动的角度,同一排的不同段的控制药量并不相等,应适当减小同一排第一段爆破的段装药量。     

空气间隔装药预裂爆破岩体损伤分布特征及控制技术

空气间隔装药预裂爆破作为一项新型轮廓爆破技术,其对岩体的损伤特性严重影响了技术的推广应用。采用现场试验与数值计算相结合的方法,对经山寺铁矿空气间隔装药预裂爆破试验的岩体损伤分布特征进行比较分析。结果表明,空气间隔装药预裂爆破的岩体损伤分布特征与传统预裂爆破存在明显的差异,装药段存在明显的粉碎破坏区,爆破损伤区的范围显著大于空气段以及传统预裂爆破,但在岩体较完整处,空气段的岩体损伤相对不明显。为了控制岩体损伤效应,装药段采用反向起爆的方式以及使用径向不耦合的筒状药卷,可以优化空气间隔装药预裂爆破效果。     

宁德核电站核岛基坑爆破开挖安全控制研究

 基坑在进行爆破开挖时,爆孔周围岩体必然会因爆炸作用而造成破坏,因此加强爆破开挖安全控制对于保障工程质量至关重要。以福建宁德核电站核岛基坑爆破开挖为依托,根据场地地质勘测资料,通过现场爆破振动试验获得场地爆破振动衰减规律,通过声波测试以及数值模型试验获得爆区损伤深度与距爆源30 m处质点峰值振动速度之间的函数关系,结合工程施工对基础爆破开挖损伤的要求确定30 m处爆破振动速度阈值,并通过后期全程监测验证控制参数的有效性。     

顺层边坡岩体的爆破振动特性试验研究

以顺层岩质路堑开挖爆破为背景,针对深孔爆破与小台阶爆破两种爆破方法进行了5次现场爆破试验,在测定不同方向上岩体质点振动速度的基础上,分析层状岩体的地震波传播特征及其影响因素。研究结果表明:深孔爆破产生的地震强度是小台阶爆破的5倍以上;同一次爆破中,深孔爆破沿走向的振动速度是垂直走向的1.1~1.4倍,而对于小台阶爆破的相应值为1.2~1.9倍;在顺层岩质路堑施工中,可采用预留保护层的深孔爆破分部开挖方案,并通过微差起爆技术限制单段最大装药量,以达到降震目的。     

三维离散元不同尺度结构面计算方法 及其在岩土爆破中的应用

 在块体离散元面–面接触的基础上，给出不同尺度结构面的计算方法，建立离散元对岩土爆破模拟的计算模型，实现块体自分裂计算程序，在药包附近采用小尺度块体，远区采用大尺度块体，可以更为准确地描述爆破载荷下岩体结构面的尺寸效应。新的计算方法增加不同尺度结构面之间的计算方法，用其模拟岩土中的爆破问题可以得到：(1) 通过模拟近区岩体内的应力场和位移场，得到爆源近区岩体在动载荷下的破坏特征，与单个尺度岩体结构面的计算程序相比，可以更准确体现结构面破坏引起的能量耗散对近区应力场的影响。(2) 模拟的鼓包、爆破漏斗等岩土爆破现象可以很好地吻合经验公式，说明该计算方法不仅能反映小时间尺度上爆炸现象，如近区的应力场，还可以反映大时间尺度上的爆炸现象。     

深埋隧洞开挖爆破损伤数值模拟及损伤机制研究

深埋隧洞爆破损伤直接影响到隧洞施工安全,支护设计中也须着重考量,目前应力条件对爆破损伤产生机制的影响尚未完全揭示,且缺乏兼顾计算效率与计算精度的群孔起爆爆破损伤数值模拟方法。依托锦屏二级水电站辅助洞开挖,提出一种基于法向冲击荷载的爆破损伤模拟方法,通过数值模拟与损伤区原位监测的对比分析,分析了该方法的可行性;并基于该方法研究不同应力条件下爆破损伤孕育机制。结果表明,采用提出的法向冲击荷载可以有效模拟爆破开挖扰动作用下岩体的损伤效应,与传统爆炸荷载施加方法相比,模型最大网格尺寸与最小网格尺寸比值减小82%,计算时间减少50%～87%;隧洞开挖爆破损伤深度与应力水平具有明显的相关性,随着地应力的增大爆破损伤呈先减小后增大的趋势。地应力存在时,爆炸荷载的施加在一定程度上提高了围岩的屈服极限,具体表现为一定程度的地应力对爆破损伤起"抑制作用"。地应力水平较低(小于12.5MPa)时,爆破主要造成拉剪损伤,而当地应力水平继续增大时,拉损伤受到抑制,爆破主要造成纯剪损伤。     

爆破荷载在数值计算中的等效施加方法研究

针对目前爆破荷载数值模拟中施加荷载方法的不足,在分析了各种荷载施加方法的特点及不同爆破数值模拟的目的和要求,利用圣维南荷载等效原理,提出了爆破荷载的等效施加方法,即将作用在炮孔壁上的爆破荷载等效后,施加在同排炮孔联心线或者面上,以模拟爆炸作用。数值仿真结果表明,等效荷载施加方法在近区存在一定差异,但在中远区吻合得较好。利用该等效荷载施加方法,分析了某沉管隧道基槽爆破施工对既有堤岸稳定性影响,分析结果与现场实测结果进行了比较,结果表明,等效方法和现场试验结果的位移和振速在量上比较接近,进一步说明等效荷载施加分析方法是合理的,该方法为爆破振动动力问题数值分析提供了借鉴作用,可供类似工程参考。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

顺层边坡岩体的爆破振动特性试验研究

以顺层岩质路堑开挖爆破为背景，针对深孔爆破与小台阶爆破两种爆破方法进行了5次现场爆破试验，在测定不同方向上岩体质点振动速度的基础上，分析层状岩体的地震波传播特征及其影响因素。研究结果表明：深孔爆破产生的地震强度是小台阶爆破的5倍以上；同一次爆破中，深孔爆破沿走向的振动速度是垂直走向的1．1—1．4倍，而对于小台阶爆破的相应值为1．2—1．9倍；在顺层岩质路堑施工中，可采用预留保护层的深孔爆破分部开挖方案，并通过微差起爆技术限制单段最大装药量，以达到降震目的。     

爆破动力荷载输入方式的比较

采用有限元软件对有炮孔模型和无炮孔模型这2种爆破模型进行数值模拟分析,并对2种模型的振动衰减规律和速度时程变化曲线进行比较分析。结果表明:有炮孔模型和无炮孔模型在软件中都能够实现,在爆源5m以外,2种模型的计算结果基本相似;随着距离的增大,2种模型的衰减规律及数值上的差异越来越小;但在5m以内时,无炮孔模型的计算结果更符合振动衰减规律;由于无炮孔模型的计算效率较有炮孔模型提高近40%,因此在该软件中进行爆破振动模拟时尽可能采用无炮孔模型。     

动静力组合作用下深埋隧洞开挖卸荷诱发围岩动力损伤诱因研究

深埋隧洞开挖形成的二次应力场与爆破开挖卸荷诱发的动力扰动组合作用,是导致围岩损伤破坏的主要原因。首先对深埋圆形隧洞开挖二次应力场静力作用下围岩损伤进行分析,然后以溪洛渡水电站城门洞形导流洞上层中导洞爆破开挖为背景,采用动力有限元方法模拟,对高地应力条件下二次应力场作用下爆炸荷载和开挖荷载瞬态卸荷动力扰动诱发损伤区进行计算,并基于实测的爆破振动速度资料对围岩的本构模型进行对比。结果表明,采用随动强化本构模型的计算结果更符合实测资料;随着地应力的增大,围岩二次应力场与动力扰动组合作用诱发的损伤范围也增大,符合理论分析的结果;考虑瞬态卸荷作用的工况与考虑爆炸荷载的工况相比,诱发损伤围岩的体积有较大增加,因此,随着隧洞埋深的增加,瞬态卸荷将成为诸多动力扰动中的主要因素。对围岩损伤的控制,不仅包含减小进尺和单响药量,还可以考虑将掌子面分成多个小断面进行开挖,或利用超前孔释放地应力等减弱开挖荷载瞬态卸荷强度的方法。     

爆破振动对建(构)筑物影响数值计算模型及安全判据的研究

针对目前爆破施工对既有建(构)筑物影响的数值分析方法及振动安全判据中存在的爆破荷载施加复杂、计算难以收敛,仅以质点振动速度大小单一指标作为安全判据等问题,利用圣维南荷载等效原理,经过推导提出了数值分析中爆破荷载的等效施加方法,即将作用在炮孔壁上的孔状爆破荷载等效成面荷载,以模拟爆炸作用,这种方法使得数值建模简化且计算容易收敛,同时基于拟静力法给出了新的振动安全判据。最后利用两个具体的工程案例对等效荷载施加方法和新安全判据的合理性进行验证。结果表明,等效荷载施加方法在近区存在一定差异,但在中远区吻合得较好,该方法建模简单,且计算容易收敛;新的爆破振动安全判据考虑了建(构)筑物本身的自振频率和安全储备,能够合理地评价振动荷载对既有建(构)筑物的影响,可供类似工程参考。     

基于LS-DYNA的预裂爆破硬夹矸弱化技术研究

基于预裂爆破对含硬夹矸特厚煤层综放开采顶煤冒放性的重要作用,建立了夹矸破断的非均布载荷悬臂梁力学模型,得出了夹矸层位、厚度对悬臂梁破断的力学作用机理。同时,结合金庄矿含硬夹矸特厚煤层实际条件,采用柱状空腔膨胀理论对爆破产生的破碎区、裂隙区及弹性震动区分别进行了计算分析。在此基础上,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件,对柱状炸药与孔壁间是否耦合的装药方式、炮孔与硬夹矸的不同相对位置及四种炮孔布置与起爆方式条件下的爆炸应力波传播规律和爆破能量的衰减特性等进行了数值模拟研究,得到顶煤深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优爆破方案。结果表明:该矿夹矸平均悬臂距l为6.5 m,硬夹矸内单孔有效破坏直径为6.2 m,不耦合装药、炮孔布置于夹矸层内、按排布孔延时起爆是深孔预裂爆破硬夹矸弱化技术的最优方案。     

隧道上台阶爆破引起路基边坡累积损伤研究

对隧道爆破振动对路基边坡稳定性的影响进行了现场声波测试，以采集到的超声波数据为依据，分析测孔不同深度处岩体声波速度、声波速度降低率、累积损伤等随爆破次数增加的变化规律，寻找累积损伤与爆破次数间的相关性。运用FLAC 3D考虑岩体力学参数损伤折减的边坡稳定性数值模拟。最终能够为类似的工程提供参考，具有理论和实践意义。     

路基石方爆破技术应用研究

路基石方爆破不仅要破碎岩体,而且还要控制路堑边坡的成型。基于公路工程爆破,在总结多边界石方爆破理论及其体系、深孔爆破、预裂爆破、光面爆破等技术的基础上,结合111国道改建工程,进行了深孔控制爆破技术应用研究。采用毫秒精确延时起爆技术,有效控制了爆破振动对路堑边坡稳定性的影响,同时爆破效果得到有效改善。